CN113364281A - 用于调节电源转换器中的电感器电流的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于调节电源转换器中的电感器电流的电路和方法。该电路生成峰值电流阈值信号，该峰值电流阈值信号能够基于通过将输出电压与该输出电压的相应调节电平进行比较而生成的误差信号而升高或降低。另外，当SIMO电源转换器的储能元件处于续流状态时，该电路能够降低该峰值电流阈值信号。只要该续流状态持续，该降低可以持续的速率发生。所公开的电路和方法允许该峰值电流阈值收敛于有利于该储能元件充分充电的水平，以向输出提供足够的能量，但不会过度充电而增加与该续流状态相关联的欧姆损耗。

Description

用于调节电源转换器中的电感器电流的电路和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月6日提交的申请号为16/811409的美国专利申请的优先权。
技术领域
本公开涉及模拟微电子学，并且更具体地，涉及一种能够以连续导电模式(CCM)操作的单电感器多输出(SIMO)DC-DC转换器。
背景技术
单电感器多输出(SIMO)DC-DC转换器(即，SIMO电源转换器)因为可在多个输出处提供多个调节后的DC电压而可用于移动和物联网(IoT)应用。因为SIMO电源转换器共享储能元件，所以与其他的电源管理集成电路(PMIC)相比，SIMO电源转换器可具有更小的印刷电路板(PCB)占有面积、更高的可靠性和/或更低的成本。SIMO电源转换器可在开关循环的一部分内电感器电流为零的不连续电流模式(DCM)下操作，或者可在整个开关循环期间电感器电流不为零的连续电流模式(CCM)下操作。在CCM操作中，可能需要利用足够的能量来对储能元件充电以在循环期间调节每个输出，但不会对储能器充电过高以至于浪费能量。本公开的实施方式就是在这种背景下出现的。
发明内容
在至少一个方面，本公开总体上描述了一种用于电源转换的系统。该系统包括具有多个开关的单电感器多输出(SIMO)电源转换器。该开关可配置(即，可控制)以将电感器至少置于充电状态、放电状态或续流状态。该系统还包括耦接到SIMO电源转换器的状态机。该状态机被配置为根据状态来输出开关信号以配置多个开关。该系统还包括耦接在SIMO电源转换器和状态机之间的模拟控制器。该模拟控制器被配置为将来自SIMO电源转换器的所感测的信号与阈值进行比较。基于该比较，模拟控制器可配置状态机的状态。模拟控制器包括峰值电流阈值电路，该峰值电流阈值电路被配置为根据SIMO电源转换器的总输出电压误差和续流状态来调节峰值电流阈值，该峰值电流阈值对应于电感器在充电状态期间被充电到的峰值电流。
在SIMO电源转换器的第一可能的实施方式中，峰值电流阈值控制电路包括被配置为降低峰值电流阈值的续流电路。例如，当SIMO功率级的电感器处于续流状态时，峰值电流阈值以恒定速率降低。
在SIMO电源转换器的第二可能的实施方式中，峰值电流阈值控制电路包括被配置为降低峰值电流阈值的续流电路。例如，该续流电路包括开关和恒定电流源，并且该开关由来自状态机的续流信号配置。
在SIMO电源转换器的第三可能的实施方式中，峰值电流阈值控制电路包括误差放大器，该误差放大器被配置为将来自SIMO电源转换器的每个输出的输出电压与相应阈值进行比较，并且基于比较来输出误差信号。峰值电流阈值控制电路还包括低通滤波器，该低通滤波器被配置为对误差信号进行积分并且输出峰值电流阈值。峰值电流阈值控制电路还包括续流电路，该续流电路被配置为在电感器处于续流状态时减小峰值电流阈值。
在SIMO电源转换器的第三可能的实施方式的第一示例中，误差放大器是运算跨导放大器。
在SIMO电源转换器的第三可能的实施方式的第二示例中，误差信号对应于SIMO功率级的每个输出与相应阈值之间的差值之和。
在SIMO电源转换器的第三可能的实施方式的第三示例中，续流电路包括开关和恒定电流源，该恒定电流源被配置为在开关被激活的同时以与恒定电流源的电流水平对应的恒定速率降低峰值电流阈值。例如，该开关被配置为通过指示电感器处于续流状态的信号来将恒定电流源耦接到低通滤波器的输出。
在另一方面，本公开总体描述了一种用于在CCM操作的循环期间调节SIMO电源转换器的峰值电流的方法。该方法包括对SIMO电源转换器的电感器进行充电，并且顺序地将充电电感器耦接到第一组输出中的输出以对相应输出电压进行充电。该方法还包括感测电感器电流处于峰值电流阈值，并且(因此)使SIMO电源转换器的电感器放电。该方法还包括顺序地将放电的电感器耦接到第二组输出中的输出，以对输出的相应输出电压进行充电。该方法还包括检测电感器处于续流状态，并且(因此)基于该续流状态来调节峰值电流阈值。在可能的实施方式中，调整后的峰值电流阈值可应用于SIMO电源转换器的后续循环(例如，以在续流状态期间减小电感器中的电流)。
在该方法的可能的实施方式中，峰值电流阈值对应于输出电压与该输出电压相应的调节电平之间的差值。
在另一可能的实施方式中，该方法还包括将调整后的峰值电流阈值应用于SIMO电源转换器的后续循环。
在另一方面，本公开总体描述了一种用于SIMO电源转换器的峰值电流阈值控制电路。该峰值电流阈值控制电路包括误差放大器，该误差放大器被配置为基于SIMO电源转换器的输出电压与该输出电压的相应调节电平之间的总差值来生成峰值电流阈值信号。峰值电流阈值控制电路还包括续流电路，该续流电路被配置为在SIMO电源转换器处于续流状态时减小峰值电流阈值信号。在可能的实施方式中，该峰值电流阈值控制电路还包括滤波器以平滑对于峰值电流阈值信号在时间上的变化。
在以下具体实施方式及其附图内进一步解释了前述说明性发明内容，以及本公开的其他示例性目标和/或优点、以及实现方式。
附图说明
图1是根据本公开的实施方式的SIMO电源转换器的框图。
图2是图1的SIMO电源转换器的示例性SIMO功率级的示意图。
图3A是在可能的循环期间图2的示例性SIMO功率级中的电感器电流的曲线图。
图3B是用于控制图2的SIMO功率级的状态机的状态图。
图4是用于图1的SIMO电源转换器的可能的模拟控制电路的框图。
图5是用于图4的模拟控制电路的可能的峰值电流阈值控制电路的方框示意图。
图6是根据本公开的可能的实施方式的用于在CCM操作的循环期间调整SIMO电源转换器的峰值电流的方法的流程图。
附图中的部件未必相对于彼此按比例绘制。相似附图标记在若干附图中表示相应的零件。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施方式的SIMO电源转换器。SIMO电源转换器100包括SIMO功率级200。基于输入电压(VIN)，SIMO功率级200被配置为在多个输出处输出多个输出电压(即VO1、VO2、…、VOn)。多个输出电压可由各种类型的DC-DC转换(诸如降压转换、升压转换和降压-升压转换)引起。
SIMO功率级200利用单个储能元件(例如，电感器210)来向多个输出供应能量。在循环期间，每个输出可从储能元件接收能量(例如，电流)以对相应电容器(即，C1、C2、…Cn)充电，以便在每个输出处保持调节电压(即，VO1、VO2、…、VOn)。例如，在循环期间，第一输出电容器充满电(例如，被充电到调节电压电平)，然后第二输出电容器充满电，以此类推，直到所有输出都已被充电到其相应电平。每个输出的电压电平可相同或不同。
SIMO功率级200包括多个输出开关(So1、So2、…、Son)。每个输出开关可被配置为将电感器210耦接到特定的输出。例如，当输出开关So1处于导通条件(即，导通)时，用于第一输出的电容器(C1)可从(或通过)电感器210接收能量以增加输出电压(Vo1)。当输出开关So1处于断开条件(即，断开)时，用于第一输出的电容器(C1)与电感器210解耦。在断开条件下，当耦接到输出的负载在该输出处从电容器(C1)汲取电流(Io1)(即，放电)时，输出电压(Vo1)可降低。可在一个或多个输出电压降至(或低于)阈值时开始循环，并且可在所有输出电压被充电到(或高于)阈值时结束循环。
SIMO功率级200还包括多个电感器开关(S1、S2、S3)。电感器开关的导通/断开状态可控制如何与电感器210交换能量或将能量存储在该电感器中。例如，在第一电感器开关状态(例如，S1＝导通，S3＝断开，S2＝断开)下，(即，当输出电压小于输入电压(即，降压转换)时)电感器210可被充电，并且输出可耦接到储能元件以从充电的储能元件接收电荷。在第二电感器开关状态(例如，S1＝断开，S3＝导通，S2＝断开)下，电感器210可放电，并且输出可耦接到储能元件以从放电的储能元件接收电荷。在第三电感器开关状态(例如，S1＝断开，S3＝导通，S2＝导通)下，储能元件中的能量可进行存储(例如，通过再循环205电流来存储)。这种状态可称为储能元件的续流状态(例如，电感器的续流状态)。这些状态可为循环期间最常用的状态，但也可能存在其他电感器开关状态。
在第四电感器开关状态(例如，S1＝导通，S3＝断开，S2＝导通)下，储能元件中的能量可被充电。这种状态可为升压转换过程的一部分。在第五电感器开关状态(例如，S1＝断开，S3＝断开，S2＝断开)下，电感器210中的能量可与输入和输出解耦。这种状态可称为保压状态。这种状态可以是DCM操作的一部分，并且仅在电感器电流为零时才可能存在。
图2示意性地示出了可与图1所示的SIMO电源转换器一起使用的示例性SIMO功率级201。该示例性SIMO功率级201包括三个输出。如图2所示，在三个输出之间共享电感器210(L)。电感器210的输入侧可分别使用电感器开关S1或S3耦接到输入电压源215或接地电压220。电感器的输出侧可分别使用输出开关So1、So2或So3耦接到输出中的任一个输出。另外，电感器的输出侧可使用电感器开关S2耦接到接地电压220。三个输出开关(So1、So2、So3)可利用背对背NMOS晶体管来实现，而电感器开关(S1、S2、S3)可利用信号NMOS晶体管来实现。
SIMO电源转换器201还可包括电流传感器。例如，第一电流传感器225可被配置为在电感器210充电时测量电感器电流(IL)(即，S1＝导通，S3＝断开)，并且第二电流传感器230可被配置为在电感器放电时测量电感器电流(IL)(即，S1＝断开，S3＝导通)。电流传感器可帮助确定何时达到峰值电感器电流(Ip)以及电感器电流何时变为零(例如，过零检测)。在一个可能的实施方式中，每个电流传感器可被实现为电流控制电压源。在另一可能的实施方式中，每个电流传感器可被实现为感测FET配置中的电流镜。
SIMO功率级201还可包括在每个输出处的电压传感器。例如，SIMO功率级201可包括用于测量第一输出电压Vo1的第一电压传感器、用于测量第二输出电压Vo2的第二电压传感器、以及用于测量第三输出电压Vo3的第三电压传感器。在该示例中，将假设SIMO功率级201的输出电压小于输入电压(即，降压转换)，但是应当理解，每个输出可为任何转换类型，并且输出可以是相同类型或不同类型。
多个开关(S1、S2、S3、So1、So2、So3)的导通/断开状态可由状态机500配置，该状态机被配置为基于传感器测量结果来输出开关控制信号510。当传感器测量结果改变时，状态机可从第一状态移动到第二状态。例如，在循环开始时，可使第一输出电压Vo1(即，第一输出)充电(即，增加)。当第一输出电压达到参考电平(例如，调节值)时，状态机可改变状态，并且将SIMO功率级配置为开始使第二输出电压(Vo2)充电。当第二输出电压达到参考电平(例如，调节值)时，状态机可改变状态，并且将SIMO功率级配置为开始使第三输出电压(Vo3)充电。可继续该过程，直到所有n个输出都已被充电。
在该示例中，储能元件为电感器210。在这种情况下，在循环开始时，状态机可将电感器耦接到输入电压(VIN)，使得从输入电压向耦接的输出提供电力。随着输出在循环期间被顺序地充电，电感器的电流随着电感器被充电而稳定地增加。当电感器电流达到最大值(即，峰值)时(即，当电感器变得充满电时)，电感器可与输入解耦以开始放电。在放电时，电感器可继续耦接到输出以继续对输出的顺序充电。
图3A是SIMO电源转换器的可能的循环期间电感器电流基于时间的曲线图。电感器电流可对应于诸如图3B的状态图中所示的多个状态。在循环开始(t0)时，电感器电流(IL)与先前循环的续流状态相比为非零。在所示的实施方式中，输出可按以下顺序来相继充电：Vo3、Vo2、Vo1。因此，在对应于循环开始的时间(t0)，如图3B所示，状态机进入V3UP状态，其中Vo3通过(充电-UP)电感器210从输入电压(Vi)源充电(即，增加)(即，S1＝导通，So3＝导通)。当处于这种状态时，由电压传感器监测第三输出的输出电压(Vo3)，并且将该输出电压与阈值进行比较，以确定该输出何时充满电。另外，电感器电流由传感器监测并且与阈值进行比较以确定电感器何时已达到峰值(即，最大值)电流。在所示的实施方式中，第三输出在电感器电流已达到其指定峰值(IP)之前的时间(t1)处变得充满电。因此，状态机移动到V2UP状态，并且SIMO电源转换器200的开关被配置为对第二输出进行充电(即，S1＝导通，So2＝导通)。在电感器达到其峰值电流(Ip)时的时间(t2)，第二输出未完成充电。因此，状态机移动到V2DN状态，其中第二输出继续从(现在)放电的电感器接收电荷(即，S3＝导通，So2＝导通)。在第二输出达到满电荷的时间(t3)时，状态机移动到V1DN状态，其中第一输出从放电的电容器接收电荷(即，S3＝导通，So1＝导通)。在所有输出已被充电(即，处于或高于其相应阈值)的时间(t4)时，循环结束，并且状态机进入续流(FRWL)状态，其中剩余的电感器电流(IL)在电感器中循环(即，S3＝导通，S2＝导通)。图2所示的示例性SIMO电源转换器的开关状态汇总于表1中。
表1：图2所示的示例性转换器的状态
状态 开关导通
输出状态
对输出1充电(V<sub>o1</sub>&lt;V<sub>t1</sub>) S<sub>o1</sub>和(S<sub>1</sub>或S<sub>3</sub>)
对输出2充电(V<sub>o2</sub>&lt;V<sub>t2</sub>) S<sub>o2</sub>和(S<sub>1</sub>或S<sub>3</sub>)
对输出3充电(V<sub>o3</sub>&lt;V<sub>t3</sub>) S<sub>o3</sub>和(S<sub>1</sub>或S<sub>3</sub>)
电感器状态
对电感器充电(I<sub>L</sub>&lt;I<sub>P</sub>) S<sub>1</sub>
使电感器放电(I<sub>L</sub>＝I<sub>P</sub>，直到循环结束) S<sub>3</sub>
续流(V<sub>o1</sub>≥V<sub>REG1</sub>，V<sub>o2</sub>≥V<sub>REG2</sub>，V<sub>o3</sub>≥V<sub>REG3</sub>) S<sub>3</sub>和S<sub>2</sub>
根据峰值电流阈值以及每个输出所需的电流量，可能在任何输出的充电期间发生从充电的电感器到放电的电感器的转变。换句话讲，在电感器电流达到峰值之前，充电的电感器可依次耦接到第一组输出中的输出(即，对其相应的输出电压进行充电)，并且在电感器达到峰值之后，放电的电感器可依次耦接到剩余的需要充电的输出(即，第二组输出)。
SIMO功率级200可以不连续电流模式(DCM)操作或以连续电流模式(CCM)操作。在DCM中，电感器中存储的能量在循环期间完全释放到输出中，使得在下一循环开始时，电感器再次从零能量充电到高能量。然而，在连续电流模式(CCM)操作中，电感器在循环期间并未完全放电。CCM可提供包括向每个输出提供一定量的电力所必需的较低峰值电感器电流(即，较小的电感器大小)的优点。
如果循环在未耗尽电感器的电荷的情况下完成，则SIMO功率级可被置于续流状态，直到后续循环开始或直到没有电流保持循环。在续流状态下，电感器被配置为在短路回路中(例如，S3＝S2＝导通)，使得在可重复使用电感器电流时的下一循环之前，该电感器电流可循环205。一些电感器电流(即，能量)可能在续流状态期间由于欧姆损耗而损失。
因为在输出中的至少一个输出下降到其参考(即，调节)值以下(例如，阈值量)之前，可能不会开始新的循环，所以循环周期(即，续流周期)可因循环到循环而变化。续流周期期间损失的电流量可能影响(即，降低)SIMO电源转换器的效率。为了提高效率，可能期望的是在循环结束时减小电感器中剩余的电流量。换句话讲，可能期望减小电感器的峰值电流(IP)。然而，使峰值电流减小到太低可能导致电感器在输出都被充电之前完全放电(即，DCM操作)。因此，一个或多个输出电压可能降低调节电平(即，可变得未被调节)。
可能优选的是，确定可提供较好效率而又不进入DCM操作和/或失去调节的优选(例如，最佳)峰值电流阈值(即，设置)。然而，因为优选的峰值电流设置可能随着负载条件改变而在循环到循环中变化，所以单峰值电流设置可能不满足这些要求。所公开的电路、系统和方法可自动调整峰值电流以收敛(例如，经过一个或多个循环)于优化SIMO电源转换器的效率的值上，同时保持CCM操作。峰值电流的调整可包括调整峰值电流参考(即，阈值)，并且该调整可基于输出电压和续流周期持续时间。
图4是示出用于图1所示的电源转换系统的模拟控制电路(即，模拟控制器300)的可能的实施方式的框图。模拟控制器被配置为从SIMO电源转换器接收所感测的输出电压(例如，Vo1、Vo2、Vo3)和所感测的电感器电流(IL)，将这些电压和电流与预定阈值(即，参考电平)进行比较，并且基于该比较，输出状态因子。状态因子可为确定SIMO电源转换器200中的特定电压或电流的状态的二进制值。状态因子可耦接到状态机500以将状态机500配置在特定状态(例如，参见图3B)。基于该特定状态，状态机500可输出开关控制信号510以将SIMO电源转换器中的每个开关配置为导通状态或断开状态。
模拟控制器300被配置为接收所感测的电感器电流(IL)。所感测的电感器电流可由在电感器充电时感测通过第一开关(S1)的电流以及在电感器放电时感测通过第二开关(S3)的电流引起。模拟控制器可包括零电流比较器310，该零电流比较器被配置为将所感测的电感器电流水平与零电流阈值(IZCD)进行比较，以便确定电感器电流是否为零(即，过零检测器)。基于该比较，零电流比较器可输出具有指示电感器电流是零还是非零的电平(例如，电压)的状态因子(ZCD)。该状态因子(ZCD)可使状态机移动到与DCM相关的状态(例如，DWLL)。
模拟控制器300还可包括第一输出电压比较器341，该第一输出电压比较器被配置为将第一输出的所感测的输出电压电平(Vo1)与第一输出阈值(Vt1)(即，第一调节电平)进行比较，以便确定该输出电压(Vo1)是否高于或低于第一输出阈值。基于该比较，输出电压可输出具有指示输出是处于调节电平(即，值)还是已下降到低于其调节电平的电平(例如，电压)的状态因子(Vtop1)。在可能的实施方式中，第一输出电压比较器341是具有滞后性的比较器(即，滞后比较器)，该滞后性具有上阈值和下阈值，使得输出电压的下降必须超过状态因子(Vtop1)从指示输出处于调节电平的电平改变到指示该输出低于调节电平的电平之前的量。
模拟控制器300还可包括对应于SIMO功率级的每个附加输出的附加输出电压比较器342、343。每个输出电压比较器可被配置为将对应的输出电压(即，Vo1、Vo2、…Von)与相应的阈值(即，Vt1、Vt2、…Vtn)进行比较，以便生成对应于该输出的充电状态(即，调节电平)的对应的状态因子(即，Vtop1、Vtop2、…Vtopn)。在可能的实施方式中，每个输出电压比较器是具有滞后性的比较器(即，滞后比较器)，该滞后性具有上阈值和下阈值。
模拟控制器300还可包括峰值电流比较器320，该峰值电流比较器被配置为将所感测的电感器电流水平(IL)与峰值电流阈值325(Ip)(即，最大电感器电流、峰值电感器电流)进行比较，以便确定该电感器电流是否处于最大水平。基于该比较，峰值电流比较器可输出具有指示电感器电流是否处于(或高于)峰值电流(IP)的电平(例如，电压)的状态因子(Itop)。这种状态因子(Itop)可与对应于充电电流的状态(例如，V1UP、V2UP、V3UP)与对应于放电电流的状态(例如，V1DN、V2DN、V3DN)之间的转变相对应。
模拟控制器300还可包括峰值阈值控制电路(即，峰值阈值控制器400)，该峰值阈值控制电路被配置为调整峰值电流阈值325(IP)，以便减小循环结束时电感器中留下的电流量，而不在循环期间使电感器完全放电。对峰值电流阈值的调整可基于SIMO功率级200的输出电压(即，Vo1、Vo2、…Von)和/或续流状态(即，FRWL、FREEWHEEL)。
图5是用于图4的模拟控制电路的可能的峰值电流阈值控制电路的方框示意图。峰值电流阈值控制器400可增加峰值电流阈值，使得在循环期间，电感器210可被充电到更高的峰值电流(Ip)(例如，高于先前的循环)。例如，SIMO功率级200的一个或多个输出中的较大电压变化(例如，下降)可使峰值阈值控制器400增加峰值电流阈值(Ip)，从而可在下一循环期间向输出提供附加电流。峰值电流阈值增加可防止电感器210在后续(例如，下一)循环期间完全放电。
峰值电流阈值控制器400还可减小峰值电流阈值，使得在循环期间，电感器210被充电到比先前循环更低的峰值电流(Ip)。峰值阈值控制电路可从状态机500接收续流信号(即，FREEWHEEL)。当状态机处于续流状态时(例如，参见图3B中的FRWL)，可以恒定速率减小峰值电流阈值。换句话讲，峰值电流阈值的减小可与续流周期成比例。
图5为峰值电流阈值控制器400的可能的实施方式的示意图。该电路被配置为从SIMO功率级200的输出接收输出电压(Vo1、Vo2、Vo3)。所接收的输出电压被输入到误差放大器410，该误差放大器被配置为将每个输出电压与阈值(即，参考)(Vt1、Vt2、Vt3)进行比较，以便获得每个输出的误差(即，Vt1-Vo1、Vt2-Vo2、Vt3-Vo3)。误差放大器410还被配置为输出误差信号411，该误差信号是所有误差(即，总输出电压误差)的总和。每个输出电压的阈值可相同或不同。例如，可将第一输出电压(Vo1)与第一阈值电压(Vt1)进行比较以获得第一误差(例如，err1＝Vt1-Vo1)，可将第二输出电压(Vo2)与第二阈值电压(Vt2)进行比较以获得第二误差(例如，err2＝Vt2-Vo1)，并且可将第三输出电压(Vo3)与第三阈值电压(Vt3)进行比较以获得第三误差(例如，err3＝Vt3-Vo3)。误差放大器的输出(即，总输出电压误差)可为与误差的总和(即，err1+err2+err3)相对应(即，成比例)的信号。在一些实施方式中，误差放大器410是运算跨导放大器(OTA)，并且输出信号是对应于误差总和的电流。
峰值电流阈值控制器400还可包括滤波器。例如，误差放大器410的输出可耦接到低通滤波器(即，LP滤波器420)。LP滤波器420可被配置为对误差放大器410的输出进行积分(即，平滑)。换句话讲，峰值电流阈值控制器的控制可为比例积分(PI)控制。LP滤波器420可被实现为耦接在误差放大器的输出与接地(VSS)电压之间的串联电阻器-电容器(RC)电路。LP滤波器的输出耦接到峰值电流阈值控制器的输出。换句话讲，LP滤波器输出经滤波的误差信号415。在不存在续流周期的情况下，可根据经滤波的误差信号415来增加或减小峰值电流阈值325(IP)。
峰值电流阈值控制器400还可包括经由开关440耦接到LP滤波器420的恒定电流源430。开关440由来自状态机的指示SIMO电源转换器的电感器处于续流状态的信号(续流)控制。当SIMO电源转换器200处于续流状态时，开关可被激活(即，导通)，并且当SIMO电源转换器200不处于续流状态时，开关可被去激活(即，断开)。对应于续流状态的信号可将开关440配置为将电流源430耦接到峰值电流阈值控制电路的输出。当被耦接时，电流源430可下拉(即，降低、减小)经滤波的误差信号，使得峰值电流阈值325降低。峰值电流阈值的减小以恒定速率进行，使得峰值电流阈值在较长续流周期内比在较短续流周期内减小更多。
使用输出信号(例如，电压)和续流信号两者调整峰值电流阈值325有利于峰值电感器电流(Ip)在足够高以提供所有输出所需能量的电平下收敛(例如，经过一个或多个循环)，但是足够低以使续流状态下花费的时间最小化，从而使欧姆损耗最小化。
图6是用于在CCM操作的循环期间调节SIMO电源转换器的峰值电流的方法的流程图。该方法包括(在循环开始时)对SIMO电源转换器的电感器充电610。该方法还包括将充电的电感器顺序地耦接620到一个或多个输出，以便对一个或多个输出的输出电压进行充电。可由状态机500控制提供到每个输出的充电序列和充电量。状态机可被配置为处于基于从SIMO电源转换器200接收的所感测的参数(例如，输出电压、电感器电流)的状态。基于该状态，状态机可生成信号以将SIMO电源转换器的开关(例如，S1、S2、S3、So1、So2、Son)配置为控制对一个或多个输出充电。该方法还包括感测630电感器电流(IL)处于峰值电流阈值(IP)(即，处于峰值电流)，并因此使电感器放电650。该方法还包括将放电的电感器耦接660到一个或多个输出，以对一个或多个输出端的输出电压充电。该方法还包括检测670电感器处于续流状态。该方法还包括基于输出电压(Vo1、Vo2、…Von)和续流状态来调整680峰值电流阈值(IP)，并且将调整后的峰值电流阈值应用690于下一循环。
对峰值电流阈值的调整可包括将输出电压与对应的参考进行比较以确定每个输出的误差，然后对误差求和以产生误差信号。可对误差信号进行滤波(例如，在时间上平滑)以创建经滤波的误差信号。在不存在续流状态的情况下，经滤波的误差信号可在后续(例如，下一)循环中控制电感器的峰值电流(Ip)。例如，峰值电流(Ip)可与输出的误差的增加成比例地增加。然而，当循环具有续流状态时，可减小经滤波的误差信号以降低后续(例如，下一)循环的峰值电流。可使用恒定电流源430来下拉输出(例如，使LP滤波器中的电容器消耗)以实现减小。对输出的下拉由开关控制，只要电感器保持在续流状态，该开关保持导通。在可能的实施方式中，峰值电流阈值(Ip)可保持在一定范围内。例如，可对Ip箝位，使得其不会增加到高于最大水平。这种上限箝位可限制可在循环期间循环的最大电感器电流。也可对峰值电流阈值(Ip)箝位，使得其不会降低到低于最小水平。该下限箝位可保持可用于每个循环中传递到输出的能量的最少量。
在说明书和/或附图中，已经公开了典型的实施方案。本公开不限于此类示例性实施方案。术语“和/或”的使用包括一个或多个相关联列出条目的任意组合和所有组合。附图是示意性表示并且因此未必按比例绘制。除非另有说明，否则特定术语已用于通用和描述性意义，而非用于限制的目的。
除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。可以在本公开的实践或测试中使用与本文所述的那些类似或等同的方法和材料。如本说明书中以及所附权利要求书中所用，单数形式“一个”、“一种”、“该”包括多个指代物，除非上下文另有明确规定。如本文所用的术语“包含”及其变型形式与术语“包括”及其变型形式同义地使用，并且是开放式的非限制性术语。本文所用术语“任选的”或“任选地”是指随后描述的特征、事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括所述特征、事件或情况发生的实例和不发生的实例。范围在本文中可以表达为从“约”一个特定值，和/或到“约”另一个特定值。当表达这样的范围时，一个方面包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当值通过使用先行词“约”表达为近似值时，应当理解，该特定值形成另一个方面。还应当理解，每个范围的端点相对于另一个端点是重要的，并且独立于另一个端点。
一些实施方式可使用各种半导体处理和/或封装技术来实现。一些实施方式可使用与半导体衬底相关联的各种类型的半导体处理技术来实现，该半导体衬底包含但不限于，例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。
虽然所描述的实施方式的某些特征已经如本文所述进行了说明，但是本领域技术人员现在将想到许多修改形式、替代形式、变化形式和等同形式。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入实施方式的范围内的所有此类修改形式和变化形式。应当理解，这些修改形式和变化形式仅仅以举例而非限制的方式呈现，并且可以进行形式和细节上的各种变化。除了相互排斥的组合以外，本文所述的装置和/或方法的任何部分可以任意组合进行组合。本文所述的实施方式可包括所描述的不同实施方式的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。

Claims (12)

1.一种单电感器多输出(SIMO)电源转换器，所述SIMO电源转换器包括：
SIMO功率级，所述SIMO功率级被配置为输出多个输出电压，所述SIMO功率级包括多个开关，所述多个开关能够被配置为在所述SIMO功率级的循环期间将电感器置于充电状态、放电状态或续流状态；
状态机，所述状态机耦接到所述SIMO功率级，所述状态机被配置为根据所述循环的状态输出开关信号以配置所述多个开关；和
模拟控制器，所述模拟控制器耦接在所述SIMO功率级和所述状态机之间，所述模拟控制器被配置为将来自所述SIMO功率级的所感测的信号与阈值进行比较，并且基于所述比较，将所述状态机配置为根据所述循环的所述状态输出开关信号，所述模拟控制器包括峰值电流阈值控制电路，所述峰值电流阈值控制电路被配置为当所述电感器处于所述续流状态时根据所述多个输出电压调整峰值电流阈值，所述峰值电流阈值对应于所述电感器在所述充电状态期间被充达的峰值电流。
2.根据权利要求1所述的SIMO电源转换器，其中所述SIMO电源转换器的循环包括当所述电感器中的电流达到所述峰值电流阈值时所述充电状态与所述放电状态之间的转变。
3.根据权利要求1所述的SIMO电源转换器，其中所述峰值电流阈值控制电路包括：
续流电路，所述续流电路被配置为降低所述峰值电流阈值。
4.根据权利要求1所述的SIMO电源转换器，其中所述峰值电流阈值控制电路包括：
误差放大器，所述误差放大器被配置为将来自所述SIMO功率级的每个输出的输出电压与相应阈值进行比较，并且基于所述比较输出误差信号；
低通滤波器，所述低通滤波器被配置为对所述误差信号进行积分并且输出所述峰值电流阈值；和
续流电路，所述续流电路被配置为在所述电感器处于所述续流状态的同时减小所述峰值电流阈值。
5.根据权利要求1所述的SIMO电源转换器，其中所述电感器的所述续流状态是所述SIMO电源转换器的CCM操作的循环的一部分。
6.根据权利要求1所述的SIMO电源转换器，其中所述模拟控制器包括比较器，所述比较器被配置为将所感测的电感器电流与所述峰值电流阈值进行比较，并且基于所述比较，将所述电感器配置为处于所述充电状态或放电状态。
7.一种用于在恒定电流模式(CCM)操作的循环期间调整单电感器多输出(SIMO)电源转换器的峰值电流的方法，所述方法包括：
对所述SIMO电源转换器的电感器充电；
将充电的所述电感器顺序地耦接到第一组输出中的输出，以对所述第一组输出中的输出的相应输出电压进行充电；
感测电感器电流处于峰值电流阈值；
使所述SIMO电源转换器的所述电感器放电；
将放电的所述电感器顺序地耦接到第二组输出中的输出，以对所述第二组输出中的所述输出的相应输出电压进行充电；
确定所述电感器处于续流状态；以及
基于所述续流状态调整所述峰值电流阈值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述确定所述电感器处于续流状态包括：
从状态机接收续流信号，所述续流信号的状态对应于所述续流状态。
9.根据权利要求7所述的方法，其中调整所述峰值电流阈值包括：
当所述电感器处于所述续流状态的同时，以恒定速率减小所述峰值电流阈值。
10.一种用于单电感器多输出(SIMO)电源转换器的峰值电流阈值控制电路，所述峰值电流阈值控制电路包括：
误差放大器，所述误差放大器被配置为基于所述SIMO电源转换器的输出电压与所述输出电压的相应调节电平之间的总差值生成峰值电流阈值信号；和
续流电路，所述续流电路被配置为在所述SIMO电源转换器处于续流状态时减小所述峰值电流阈值信号。
11.根据权利要求10所述的用于SIMO电源转换器的峰值电流阈值控制电路，其中：
所述峰值电流阈值控制电路还包括滤波器以平滑所述峰值电流阈值信号在时间上的变化。
12.根据权利要求11所述的用于SIMO电源转换器的峰值电流阈值控制电路，其中：
所述续流电路包括恒定电流源，所述恒定电流源下拉所述滤波器的输出以在所述恒定电流源耦接到所述滤波器的输出的同时以恒定速率减小所述峰值电流阈值信号，所述续流电路还包括开关，所述开关被配置为基于来自状态机的指示所述SIMO电源转换器处于续流状态的信号将所述恒定电流源耦接到所述滤波器的所述输出。
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